王 麗，趙艷輝

（河北中崗?fù)ㄓ嵐こ逃邢薰荆颖?石家莊 050035）

0 引言

隨著國家高速公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對其服務(wù)和管理水平的需求日益提高。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)和高速公路機電系統(tǒng)的重要組成部分，是將視頻技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用，同時也為高速公路的管理提供了直觀、方便、信息豐富的內(nèi)容，因此監(jiān)控系統(tǒng)的實施成為了機電系統(tǒng)和高速公路管理不可缺少的一部分。隨著高速公路通行車輛的迅速增加，數(shù)字圖像壓縮處理技術(shù)和流媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)帶寬、計算機網(wǎng)絡(luò)的處理能力和存儲容量的快速提高和加大，高速公路的全程監(jiān)控和視頻傳輸?shù)臄?shù)字化將成為未來的發(fā)展趨勢。

1 監(jiān)控系統(tǒng)傳輸方案比較

1.1 原有監(jiān)控系統(tǒng)方案

原有監(jiān)控系統(tǒng)方案如下：

（1）每車道設(shè)置車道攝像機和亭內(nèi)攝像機各1臺；

（2）廣場的內(nèi)、外側(cè)各設(shè)置快速球型攝像機1臺；

（3）主線收費站入口收費亭內(nèi)攝像機分別設(shè)置，通過視頻分配器提供視頻圖像；

（4）收費站車道、亭內(nèi)和廣場的視頻圖像采用一對一在監(jiān)視墻上顯示，每站設(shè)置主監(jiān)視器一套。復(fù)式收費車道的視頻圖像與原有收費車道的車道和亭內(nèi)視頻圖像通過四畫面分割器后在監(jiān)視墻上顯示；

（5）收費站均通過硬盤錄像機對視頻圖像進行存儲；

（6）視頻切換和控制采用模擬視頻控制矩陣；

（7）收費站與監(jiān)控分中心視頻傳輸采用視頻數(shù)據(jù)復(fù)用光端機點對點傳輸方式，每收費站上傳一路視頻圖像至路監(jiān)控分中心，并接受監(jiān)控分中心視頻切換矩陣的控制。

原有監(jiān)控系統(tǒng)方案構(gòu)成如圖1所示。

圖1 原有監(jiān)控系統(tǒng)方案構(gòu)成

1.2 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)傳輸模式

現(xiàn)有公路的監(jiān)控系統(tǒng)傳輸模式采用數(shù)字非壓縮點對點式視頻光端機傳輸方案。以光纖專線為傳輸介質(zhì)，采用模擬攝像機＋視頻光端機等模式來實現(xiàn)，對重點路段、隧道和橋梁進行統(tǒng)一的24h實時音視頻監(jiān)控。能夠做到集中監(jiān)控、集中存儲，可以在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)鋪蓋的任何地點查看、控制任何一個監(jiān)控點，可隨意調(diào)用監(jiān)控畫面，畫面清晰連貫。監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)有方案主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）實現(xiàn)了對重點區(qū)域的視頻監(jiān)控，以各監(jiān)控點為基本單元，各級基于數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)實現(xiàn)多級聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；

（2）所有的視頻監(jiān)控點考慮了全天候監(jiān)控的效果；

（3）能夠?qū)λ斜O(jiān)控的視頻進行長達7×24h的視頻錄像，能夠作為證據(jù)進行分析、調(diào)用；

（4）組建視頻監(jiān)控中心，采用數(shù)字化視頻還原技術(shù)組建電視墻，形成傳統(tǒng)的類矩陣集中系統(tǒng)，實現(xiàn)對所轄區(qū)域視頻監(jiān)控的集中管理；

（5）以各管理處為單位組建視頻分監(jiān)控中心，采用磁盤陣列存儲錄像資料及轉(zhuǎn)發(fā)視頻；

（6）在監(jiān)控指揮中心組建系統(tǒng)調(diào)度指揮中心，統(tǒng)籌安排和調(diào)度整個系統(tǒng)，進行統(tǒng)一的現(xiàn)場調(diào)度和管理。

監(jiān)控外場圖像，采用點對點式進行組網(wǎng)傳輸。在每處監(jiān)控點根據(jù)需要設(shè)置l臺單路或雙路視頻+反向數(shù)據(jù)遠端機，在監(jiān)控分中心設(shè)置多路視頻+反向數(shù)據(jù)節(jié)點式接收機，所傳圖像均為數(shù)字非壓縮格式。

1.3 兩種監(jiān)控系統(tǒng)傳輸模式優(yōu)缺點比較

1.3.1 點對點數(shù)字視頻光端機

點對點數(shù)字視頻光端機有如下優(yōu)點：（1）使用簡單靈活，視頻質(zhì)量高，實時性好；（2）除了傳輸多路視頻信號外，還可以傳輸音頻信號、異步數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等多種信號。

點對點視頻光端機有如下缺點：

（1）無法組網(wǎng)，不具備保護功能，系統(tǒng)可維護性差；

（2）無法實現(xiàn)遠距離傳輸，如果距離過遠，圖像無法直接到達監(jiān)控中心/分中心，只能采用光端機級聯(lián)方式，多級光端機的級聯(lián)會造成信號質(zhì)量的下降，同時也給業(yè)務(wù)和設(shè)備的維護管理帶來很大不便；

（3）由于采用的是點對點模式，整個系統(tǒng)占用大量的光纖資源；

（4）外場監(jiān)控節(jié)點多，需要構(gòu)建大型視頻網(wǎng)絡(luò)時，矩陣增容費用增加很多，矩陣之間級聯(lián)非常困難，控制網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。

1.3.2 全數(shù)字傳輸方式

針對于傳統(tǒng)的點對點傳輸模式的缺點出現(xiàn)了新的全數(shù)字視頻傳輸方案：所有外場監(jiān)控圖像在攝像機端即進行數(shù)字化編碼，圖像壓縮后（H.264標準）采用光纖組網(wǎng)方式，接入收費站（或服務(wù)區(qū)）的通信系統(tǒng)，利用接入網(wǎng)提供的10/100M通道傳至監(jiān)控分中心。

全數(shù)字傳輸方式有如下優(yōu)點：

（1）系統(tǒng)技術(shù)設(shè)備比較先進，能夠?qū)崿F(xiàn)集中管理、集中控制、集中調(diào)度等功能，甚至有能力將除圖像外的其他業(yè)務(wù)集成于同一個平臺上進行傳輸；

（2）由于采用了H.264標準，圖像具有高清晰、低延時、抗干擾性強、分插（上、下）方便等優(yōu)點，適合大規(guī)模、高質(zhì)量圖像傳輸要求。

全數(shù)字傳輸方式有如下缺點：

（1）目前國內(nèi)支持該種高新技術(shù)方案的廠商數(shù)量較少，造價較高；

（2）由于壓縮編碼的算法不統(tǒng)一，造成設(shè)備廠商之間設(shè)備編解碼器存在兼容性問題，不能做到設(shè)備互換，使已建成高速公路新增設(shè)備或原有系統(tǒng)改造面臨設(shè)備更新和兼容問題，沒有選擇的余地。

2 全程監(jiān)控數(shù)字化傳輸設(shè)計

2.1 路段全程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計基本原則

路段全程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時需考慮如下基本原則：

（1）使用新技術(shù)、新設(shè)備：充分使用新技術(shù)和新設(shè)備，保證價值工程的資源利用最大化。

（2）統(tǒng)一管理，合理利用：設(shè)備、資源統(tǒng)一管理，合理利用資金。

（3）標準化：視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是要實現(xiàn)在光纖上的圖像傳輸和共享。本系統(tǒng)采用的產(chǎn)品均遵循視頻協(xié)議和傳輸標準的要求。

（4）可擴展性：由于用戶以后的需求會不斷增加，監(jiān)控數(shù)量將隨之擴大，用戶要求只增加前端設(shè)備和升級軟件不用添加其他附加設(shè)備，以保證其投資。為了適宜未來系統(tǒng)擴展的需求，系統(tǒng)在滿足現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上預(yù)留足夠的設(shè)備容納性以便系統(tǒng)擴充之用。系統(tǒng)中控制部件（軟、硬件）采用集中式結(jié)構(gòu)、嵌入式等技術(shù)措施，可以方便靈活地進行擴充，充分保證系統(tǒng)在將來的適應(yīng)性。靈活的組網(wǎng)方式，方便增加被監(jiān)控點。幾個視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)組成更大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可按多級組網(wǎng)的方式，形成大規(guī)模的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，高一級監(jiān)控中心能管理和監(jiān)控低一級監(jiān)控中心的運行。

（5）易用性：軟件使用界面良好，用戶安裝相應(yīng)軟件（客戶端控件）后就可進行實時監(jiān)控，完全智能控制，不用單獨設(shè)置。系統(tǒng)可以很方便地進行在線升級，保證用戶投資。系統(tǒng)采用的程序包括服務(wù)器程序和客戶端程序，均能為客戶提供升級服務(wù)?？烧{(diào)節(jié)圖像質(zhì)量與帶寬占用，系統(tǒng)采用H263++、X264硬件編解碼，可以根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)幀數(shù)、分辨率、圖像質(zhì)量等。支持64～2048Kbps傳輸碼率的多種圖像瀏覽方式，包括單畫面、四畫面、九畫面、十六畫面多種瀏覽方式。

（6）可靠性：具有設(shè)計獨到的視頻流量管理功能，保證傳輸通暢。統(tǒng)一、規(guī)范地管理操作權(quán)限。系統(tǒng)具有自診斷功能。系統(tǒng)設(shè)備的平均無故障工作時間MTBF＞10000h。由于每一個設(shè)備均以分散的方式安裝于遠端的攝像機端，即使單個設(shè)備發(fā)生了故障也僅僅是影響到這個設(shè)備，而不至于影響整個系統(tǒng)。

（7）完善性：具有強大的視頻、音頻和數(shù)據(jù)告警功能：當某臺攝像機發(fā)生移動偵測報警時，系統(tǒng)可實時啟動錄像或驅(qū)動云臺前往預(yù)置位實時監(jiān)視；當發(fā)生報警時，能接入聯(lián)動報警信號，識別報警。具有功能完善的錄像管理體系，系統(tǒng)可選用手動、移動偵測、報警、定時錄像四種方式，提供指定周期的滾動刪除功能，有效防止存儲空間耗盡，同時可提供分布式網(wǎng)絡(luò)存儲功能。具備完善的控制功能，系統(tǒng)設(shè)置了權(quán)限管理，對不同級別的用戶給予不同的權(quán)限，有效防止越權(quán)操作。

（8）良好的硬件平臺：系統(tǒng)硬件平臺為嵌入式設(shè)計，實現(xiàn)高度一體化、高度工程化，便于施工、安裝、調(diào)試。

（9）良好的軟件平臺：系統(tǒng)的軟件操作簡便、采用模塊化結(jié)構(gòu)。

2.2 全光纖數(shù)字矩陣系統(tǒng)的特點

根據(jù)以上使用原則，需要全新的系統(tǒng)方案進行設(shè)計和實施。全光纖數(shù)字矩陣系統(tǒng)是一個集光纖傳輸、分布式數(shù)字視頻矩陣、多業(yè)務(wù)接入于一體，具有全數(shù)字、大容量、高品質(zhì)圖像、高擴展性、完善的視頻管理及網(wǎng)絡(luò)管理能力的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸交換平臺。本業(yè)務(wù)系統(tǒng)將視頻、音頻、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等統(tǒng)一到同一傳輸平臺，提供了豐富的業(yè)務(wù)接口如Ethernet、E1、RS232/RS485/RS422、開關(guān)量、愛峰對講、語音等，并且創(chuàng)造性地將開放式全數(shù)字視頻綜合管理設(shè)備納入該平臺。為視頻監(jiān)控高端用戶提供了專業(yè)的綜合解決方案，可滿足用戶對多級傳輸、交換高質(zhì)量視頻、多種業(yè)務(wù)接入的需要。

2.3 VAM平臺

2.3.1 VAM平臺簡介

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)采用VAM——開放式高畫質(zhì)數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)平臺。VAM平臺綜合運用計算機、圖像處理、視頻壓縮、傳輸與交換、網(wǎng)絡(luò)管理、視頻行為分析等技術(shù)，集視音頻信號的接入、傳輸、交換、存儲、顯示以及PTZ控制、告警聯(lián)動、視頻分發(fā)、事件檢測等功能和應(yīng)用于一體，能有效提升高速公路運營維護的信息化、智能化水平，為高速公路運營管理和風險控制提供有力的支撐。

VAM平臺是一個高度標準、開放的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺，完美支持專業(yè)級視頻監(jiān)控所必備的從非壓縮到不同壓縮等級的多碼率數(shù)字視頻信號的并行傳送與統(tǒng)一調(diào)度。VAM平臺采用符合國際電聯(lián)（ITU-R）BT.601、BT.656標準的非壓縮分量數(shù)字視頻碼流作為其基礎(chǔ)視頻碼流，視頻信號的壓縮、傳輸、交換、處理、存儲、顯示等全部基于此標準的基礎(chǔ)視頻碼流，從而使得VAM平臺具備了非常優(yōu)良的擴展性和通用性。VAM平臺內(nèi)的壓縮視頻采用MPEG-2、MPEG-4和H.264三種標準，同時提供從128Kbps到8Mbps的不同畫質(zhì)的多種壓縮視頻。

VAM平臺的信號接入、傳輸和交換均基于電信級以太網(wǎng)技術(shù)，支持星形、鏈形、環(huán)形、相切環(huán)等光網(wǎng)絡(luò)拓撲，可在全網(wǎng)提供1+1保護，使整個平臺具有極高的可靠性和安全性。VAM平臺也可利用各種已建通信網(wǎng)絡(luò)，如：SDH、RPR、ASON等，實現(xiàn)互聯(lián)組網(wǎng)。

2.3.2 VAM平臺的主要特點

（1）全程數(shù)字化：標準分量數(shù)字視頻信號可直接無損接入平臺內(nèi)；模擬視頻信號進入平臺后即數(shù)字化為符合ITU-R BT.656國際標準的分量數(shù)字視頻，并在平臺內(nèi)全程基于此標準碼流進行壓縮、存儲、分析、編碼等各種處理；

（2）傳輸接口標準、開放：符合國際標準IEEE802.3z的千兆以太網(wǎng)承載非壓縮和各種壓縮視頻碼流，既可獨自構(gòu)建電信級受控以太網(wǎng)，也能支持已有的SDH、RPR、ASON等通信網(wǎng)絡(luò)；

（3）網(wǎng)絡(luò)安全和帶寬保護：用VAM平臺構(gòu)建的電信級受控以太網(wǎng)能阻止非法接入；各項業(yè)務(wù)按需動態(tài)指配網(wǎng)絡(luò)帶寬；

（4）大容量全交換：單子架96G高速交換背板容量，支持子架級聯(lián)和堆疊；

（5）實時非壓縮視頻到桌面：可在桌面端提供清晰細膩的非壓縮實時視頻；

（6）內(nèi)建視頻存儲和調(diào)閱：同時支持集中存儲和分布式存儲，存儲的視頻可根據(jù)授權(quán)全網(wǎng)調(diào)閱；

（7）多碼流支持：可同時提供標準的ITU-R BT.656非壓縮分量數(shù)字視頻碼流以及從128Kbps到8Mbps的不同畫質(zhì)的多種壓縮視頻，滿足大屏顯示、電視墻顯示、視頻分析、視頻存儲、信息發(fā)布等不同應(yīng)用需求；

（8）前光后電式子架設(shè)計：子架前面板只有指示燈和光纖接口，所有的電纜全部集中在子架后面板，同時配備了接口功能指示燈，方便工程開通和設(shè)備維護；

（9）視頻統(tǒng)一調(diào)度：非壓縮、壓縮視頻全網(wǎng)統(tǒng)一接入、傳輸、交換和存儲；

（10）完善的網(wǎng)絡(luò)管理：故障自動定位，良好的人機界面；

（11）豐富的行業(yè)特色應(yīng)用：提供切合高速公路管理特點的多種應(yīng)用。

2.3.3 VAM平臺的子系統(tǒng)

VAM平臺由以下子系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）交換子系統(tǒng)；

（2）傳輸子系統(tǒng)；

（3）接入子系統(tǒng)；

（4）視頻調(diào)度子系統(tǒng)；

（5）視頻存儲子系統(tǒng)；

（6）信息發(fā)布子系統(tǒng)；

（7）告警管理子系統(tǒng)；

（8）設(shè)備管理子系統(tǒng)；

（9）事件監(jiān)測子系統(tǒng)。

上述系統(tǒng)可以接入攝像機、高清攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像機、云臺（解碼器）、拾音器（麥克風）、揚聲器、對講、求助報警、煙霧傳感器、車流檢測器、紅外報警、氣象探測器、電話、可變情報板等前端設(shè)備信號，提供包括視頻監(jiān)視、視頻存儲、事件監(jiān)測、PTZ控制、檢索回放、告警聯(lián)動、收費稽查、Web發(fā)布、桌面瀏覽、視頻會議、視頻對講、OSD配置在內(nèi)的各種應(yīng)用，實現(xiàn)高速公路機電系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的整合。

2.3.4 VAM平臺的設(shè)計

傳輸采用全數(shù)字綜合管理設(shè)備，全網(wǎng)信號共享，任一節(jié)點經(jīng)過配置授權(quán)均可任意下載圖像，各前端視頻接入數(shù)量不受限制，設(shè)計的傳輸系統(tǒng)能夠傳輸所有格式的數(shù)字視頻信號，包括數(shù)字非壓縮視頻、MPEG2、MPEG4、H.264等。監(jiān)控系統(tǒng)圖像傳輸采用遠端數(shù)字非壓縮采集、傳輸、接入，分中心（收費站）MPEG2或H.264（MPEG4）采用編解碼模式進行顯示、存儲、管理。

2.3.5 VAM平臺的主要設(shè)備組成

在分中心和收費站采用“開放式全數(shù)字視頻綜合管理設(shè)備（平臺）”，外場設(shè)備通過收費站全數(shù)字綜合管理設(shè)備與監(jiān)控分中心全數(shù)字綜合管理設(shè)備之間結(jié)成多纖自愈光纖環(huán)網(wǎng)。在高速公路外場，采用“節(jié)點式光端機”聯(lián)結(jié)外場設(shè)備到監(jiān)控分中心，其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 VAM平臺的主要設(shè)備構(gòu)成

全數(shù)字管理平臺的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 全數(shù)字管理平臺的構(gòu)成

在高速公路外場，采用“節(jié)點式光端機”聯(lián)結(jié)外場設(shè)備（如攝像機等），節(jié)點式遠端接入設(shè)備接入設(shè)在收費站的全數(shù)字綜合管理設(shè)備組成單纖鏈網(wǎng)進行傳輸，其構(gòu)成如圖4所示。

圖4 單纖鏈網(wǎng)的構(gòu)成

全數(shù)字視頻綜合管理設(shè)備和節(jié)點式光端機組成光纖鏈路網(wǎng)絡(luò)，結(jié)成的視頻圖像傳輸、轉(zhuǎn)換、處理系統(tǒng)是完全數(shù)字化的，具備一系列的優(yōu)點：

（1）支持數(shù)字非壓縮視頻和多種碼流的壓縮轉(zhuǎn)換、傳輸及輸出，在保證本地管理站具有高清晰度實時圖像進行切換、顯示的同時，提供基于壓縮處理模式的視頻業(yè)務(wù)和基于非壓縮處理模式的視頻業(yè)務(wù)的共同傳輸，為上級監(jiān)控分中心提供了多種顯示與瀏覽模式。

（2）數(shù)字管理平臺之間、數(shù)字管理平臺和接點光端機之間可以組成鏈網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)、星型、分支、混合型等結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，可覆蓋到最前端的外場攝像機或其他設(shè)備處，具有強大的組網(wǎng)能力；

（3）支持多業(yè)務(wù)接入、傳輸功能，在收費站內(nèi)和外場均可提供以太網(wǎng)、異步數(shù)據(jù)、音頻、對講、報警等多種接口和傳輸能力；

（4）強大的后臺軟件功能和模塊化設(shè)計；

（5）全網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一管理，網(wǎng)管、設(shè)備監(jiān)控功能可覆蓋至外場設(shè)備最前端（外場攝像機或其他設(shè)備處）；

（6）系統(tǒng)有很強擴展性，外場使用節(jié)點式光端機，可以用單根光纖構(gòu)成光纖鏈路，接入并傳輸不同地點的多路視頻圖像和多種數(shù)字碼流，適合于道路的全程監(jiān)控（每隔1km或2km布設(shè)攝像機），為以后在不增加光纖的情況下，進一步增加外場監(jiān)控設(shè)備提供了便利條件。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)主要為采用點到點光端機傳輸或使用節(jié)點光端機進行視頻和數(shù)據(jù)的傳輸，本身獨立成網(wǎng)。通過使用全數(shù)字視頻綜合管理設(shè)備將原有系統(tǒng)的監(jiān)控點和新增的監(jiān)控點融合在一個統(tǒng)一的管理平臺下，將多種視頻模擬和數(shù)字接入模式（光、電）結(jié)合在一起，組成一個新的統(tǒng)一調(diào)度管理平臺，真正做到收費系統(tǒng)的語音圖像數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)的語音圖像數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一管理在一個管理平臺下，節(jié)約了系統(tǒng)改造開支。隨著高速公路管理需求的提升和高速公路通行車輛的迅速增加，隨著數(shù)字圖像壓縮處理技術(shù)和流媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)帶寬、計算機網(wǎng)絡(luò)的處理能力和存儲容量的快速提高和加大，高速公路的全程監(jiān)控和視頻傳輸?shù)臄?shù)字化將成為發(fā)展的趨勢。

[1] 曾瑤輝，李冬陵.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)集成[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 鄭國，葉裕民，皮定均.國內(nèi)外數(shù)字化城市管理案例[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2009.